第七章_水质软化与除盐

第七章 水质软化与除盐
（Softening and salt removal）
主要内容 第1节概述 第2节药剂软化法 第3节离子交换基本原理 第4节离子交换软化 第5节离子交换除盐 第6节离子交换处理工业废水
第1节 概述
一、水中主要溶解杂质 二、硬度单位 三、水的纯度 四、软化和除盐基本方法
第1节 概述
第3节 离子交换基本原理 离子交换树脂的命名方法
第3节 离子交换基本原理
离子交换树脂命名法中分类代号和骨架代号
代号 0 1 2 3 4 5 6
分类名称 强酸性 弱酸性 强碱性 弱碱性 螯合性
两性 氧化还原
骨架名称 苯乙烯系 丙烯酸系 酚醛系 环氧系 乙烯哌啶系 脲醛系 氯乙烯系
第3节 离子交换基本原理
※工作交换容量： 在动态工作条件下，当出水水质达到交换终点时，树脂层达 到的平均交换容量。全的60%~70%
第3节 离子交换基本原理
(七) 离子交换树脂的选择性
树脂对溶液中的不同离子有不同的亲和力，对它们的吸附有 选择性。各种离子受树脂交换吸附作用的强弱程度有一般的 规律，但不同的树脂可能略有差异。 •离子电荷愈多，愈易被交换 •原子序数愈大，即水合半径愈小，愈易被交换
石灰法只能降低碳酸盐硬度及降低水中的碱度。
第2节 药剂软化化
二、石灰－纯碱法
去除碳酸盐和非碳酸盐硬度： CaSO4 + Na2CO3 → CaCO3↓+ Na2SO4 MgSO4 + Na2CO3 → MgCO3 + Na2SO4 MgCO3 + Ca(OH)2 → CaCO3↓+Mg(OH)2↓ 但纯碱太贵，此法一般不用。
(二) 含水率
树脂孔隙内所含的水分，一般在40%～69%。 与树脂的胶联度有关，交联度低，空隙率高， 含水率高。
第3节 离子交换基本原理
(三) 密度 干真密度：干燥状态下，树脂材料本身具有的密度。 湿真密度：在水中充分溶胀后湿树脂本身的密度。湿 树脂质量/树脂颗粒本身所占体积（不包括颗粒之间的空 隙）。 表观密度：树脂在水中充分溶胀后的堆积密度(视密 度) 。湿树脂质量/树脂堆积体积。 单位均为mg/L.计算树脂用量
(四) 交联度
交联度为树脂合成时交联剂的用量，一般为7%~10%。 交联度越高，孔隙度越低，密度越大，对半径较大的 离子和水合离子扩散速度越低，交换量越小。 在水中浸泡，形变小，较稳定。
第3节 离子交换基本原理
(五) 溶胀性
吸水后体积增大的现象。溶胀程度用溶胀率表示：
溶胀率
V后 V前 V前
100%
第3节 离子交换基本原理
树脂的网络骨架
第3节 离子交换基本原理
(二) 树脂分类 按选择性
离子交 换树脂
阳离子交换树脂 阴离子交换树脂
按结构
强酸性阳离子交换树脂 R—SO3H 弱酸性阳离子交换树脂 R—COOH 强碱性阴离子交换树脂 R NOH 弱碱性阴离子交换树脂 R—NH3OH
离子交 换树脂
凝胶型 孔隙小、少，溶胀度较大，水溶胀后呈凝胶状。 大孔型 孔大，溶胀度小，交换速度高，抗污染能力强。
第3节 离子交换基本原理
一、离子交换树脂 二、离子交换反应与平衡 三、离子交换速度
1. 离子交换法 离子交换剂上的离子和水中的离子进行交换的一种特
殊吸附现象。 与其它吸附过程相比： 主要吸附水中离子态物质； 交换剂上的离子和水中离子进行“等当量”的交换。
第3节 离子交换基本原理
2. 发展
1805年英国科学家发现了土壤中Ca2+和NH4+的交换现象； 1876年Lemberg 揭示了离子交换的可逆性和化学计量关系； 1935年人工合成了离子交换树脂； 1940年应用于工业生产； 1951年我国开始合成树脂。
举例
• 1 001 X7
• 凝胶型苯乙烯系强酸性阳离子交换树脂，交联度7%
• 2 D201X10 • 大孔型苯乙烯系强碱性阴离子交换树脂
第3节 离子交换基本原理
国产离子交换树脂的牌号与性能
产品牌号
活性基团
701# (弱碱330)
704# ( 强 碱 201 ×4) 711# ( 强 碱 201 ×7) 717# ( 强 碱 201 ×7) 724# ( 强 碱 101 ×128) 732# (强碱1×7)
一、水中主要溶解杂质
离子：Ca2+, Mg2+, Na+(K+), HCO3-, SO42-, Cl一般Fe2+, SiO32-含量较少。
气体：CO2, O2 总硬度：Ca2+, Mg2+ 碳酸盐硬度（carbonate hardness、暂时硬度） 非碳酸盐硬度（noncarbonate hardness） 含盐量：Σ阳＋Σ阴
可发生交换的活性基团数量。
容量表示法 qV ：mmol/ml、mol/l。 重量表示法 qW ：mmol/g、mol/kg。
qV = qW ×[湿比重×(1-含水率)] ※全交换容量：树脂所能交换的离子的物质的量nB除以树脂体积或质量m，
qV =nB/V(mmol/L)或qW =nB/m(mmol/g) 单位体积或重量树脂中含可交换基团的总数。
等孔型 孔大、均匀，抗有机污染能力强。
第3节 离子交换基本原理
(三) 树脂命名和型号
1、命名 •全名称：（分类名称）（骨架名称）（基本名称） 如强酸型苯乙烯系阳离子交换树脂 •为了区别同一类树脂产品，有时用数字区分。 2、型号
离子交换产品的型号以三位阿拉伯数字组成，第一位 数字代表产品的分类，第二位数字代表骨架的差异，第 三位数字为顺序号用以区别基因、交联剂等的差异。
• H＋和OH-的交换选择性与树脂交换基团酸、碱性的强弱有关。对于强酸 阳树脂： H+>Li+，而对于弱酸阳树脂：H+>Fe3+
第3节 离子交换基本原理
三、离子交换机理
A+自溶液中扩散到树脂表面
A+从树脂表面进入树脂内部 的活性中心
A+与RB在活性中心上发生复 分解反应
解吸附离子B+自树脂内部扩 散至树脂表面
第2节 药剂软化化
一、石灰软化法 二、石灰－纯碱法
一、石灰软化法
CaO：生石灰 CaO + H2O = Ca(OH)2 （消化过程） Ca(OH)2：熟石灰或消石灰 CO2 + Ca(OH)2 → CaCO3↓+ H2O Ca(HCO3)2 + Ca(OH)2 → 2CaCO3↓ + 2H2O Mg(HCO3)2 + 2Ca(OH)2 → 2CaCO3↓+Mg(OH)2↓+2H2O 若碱度>硬度，还应去除多余的HCO3若水中存在Fe离子，也要消耗Ca(OH)2
≥5 ≥3.5 ≥3 ≥9 ≥4.5 ≥4.5
Cl
0.3～1.0mm 640～680 2.7
Na
0.3～1.2mm
760～800 4～5
Cl
0.3～1.2mm
640～680 2.7
第3节 离子交换基本原理
二、离子交换树脂的特性
(一) 外观
形状：透明或半透明的球状珠体。 颜色：白、浅黄、赤褐色。
第1节 概述
三、水的纯度
以含盐量或水的电阻率表示（单位：欧姆/厘米） 淡化水：高含盐量水经局部处理 脱盐水：相当于普通蒸馏水，含盐量1~5mg/L 纯水：亦称去离子水，含盐量<1mg/L 高纯水：含盐量<0.1mg/L
第1节 概述
四、软化和除盐基本方法
1. 软化 (1)加热：去除暂时硬度 (2)药剂软化：根据溶度积原理 (3)离子交换：离子交换硬度去除比较彻底。 2. 除盐 蒸馏法、离子交换法、电渗析法、反渗透法
溶胀的原因
水扩散到树脂交联网孔发生溶胀； 活性基团离解形成水合离子。 影响因素 树脂交联度：交联度越大，溶胀率越低。 活性基团：离解程度越大，溶胀率越大； 可交换离子：水合半径越大，溶胀率越高。
第3节 离子交换基本原理
(六) 交换容量 是树脂最重要的性能，表示树脂交换能力的大小。 单位体积湿树脂(容量表示法)或单位重量干树脂(重量表示法)
树脂颗粒 水膜
(6) A
第3节 离子交换基本原理
交换速度方程：
外部扩散控制：
第3节 离子交换基本原理
二价对一价的离子交换反应 离子交换选择系数：
改写成：
第3节 离子交换基本原理
离子交换树脂的选择系数可用于： 计算泄漏量、极限工作交换容量、再生度极限值
第3节 离子交换基本原理
四、交换动力学简述 外 扩 散 薄膜扩散 内 扩 散
1、交换过程
B (1)
(2)
(3) B
(4) (A) (5)
全交换容量 /mmol·g-1 ≥9
Cl Cl Cl
H+
Na Na
16～ 50 目 占 95%以上 16～ 50 目 占 90%以上 16～ 50 目 占 95%以上 20～ 50 目 占 80%以上 16～ 50 目 占 95%以上 0.3～1.2mm
650～750 650～750 650～750 750～850 760～800
第2节 药剂软化化
所以，石灰投加量： [CaO] = [CO2] + [Ca(HCO3)2] + 2[Mg(HCO3)2] + [Fe] +a
a：CaO过剩量，一般为0.1~0.2 mmol/L 经石灰处理，水的剩余碳酸盐硬度可降低到
0.25~0.5mmol/L，碱度降低到0.8~1.2mmol/L 为尽量降低碳酸盐硬度，石灰＋混凝沉淀可以同时进行。 注意：
B+离子从树脂表面扩散到溶 液中
交换速度的控制步骤是扩散 速度，不同的分离体系可能 由内部扩散或外部扩散控制.
第3节 离子交换基本原理
1、离子交换反应
离子交换的实质：是不溶性的电解质（树脂）与溶液中 的另一电解质所进行的化学反应。 中和反应： RSO3H + NaOH→RSO3Na +H2O 中性盐分解反应： RSO3H + NaCl ↔RSO3Na + HCl 复分解反应： 2RSO3Na +CaCl2 ↔(RSO3)2Ca + 2NaCl
( １ ) 对阳离子的吸附 Fe3+ > Al3+ > Pb2+ > Ca2+ > Mg2+ > K+ += NH4+ > Na+ > Li+> H+ ( ２ ) 对阴离子的吸附 对强碱阴离子： SO42－ > NO3－ > Cl－ > OH－ > HCO3－ > HSiO3－ 对弱碱阴离子：OH－ > 柠檬酸根3－ > SO42－ > 酒石酸根2－ > 草酸根2－ > PO43－ > NO2－ > Cl－ > 醋酸根－ > HCO3－
强酸1#
强碱201#
732# (强酸010)
717# (强碱201)
NH2 NH N NH2 NH N (CH3 )3
N (CH3 )3 COO
SO32
SO32
N (CH3 )3
SO32
N (CH3 )3
出厂离子形 式 OH-
粒度
10～ 50 目 占 70%以上
松密度/ kg·m-3 650～750
第1节 概述
软化：降低硬度 除碱：HCO3-（锅炉给水、碱度太高，会汽水共沸） 除盐：降低含盐量
二、硬度单位
•当量浓度：meq/L •度（我国用德国度）:德国度＝10 mg CaO/L 美国度＝1 mg CaCO3/L •物质的量浓度(mol/L): c •基本单元的表示方法：Ca2+, 1/2Ca2+
第3节 离子交换基本原理
2、离子交换平衡
离子交换是一种可逆反应，存在交换平衡。 R-A+ + B+ R-B+ +A+ 离子交换选择系数为： KAB= [R-B+][A+]/[R-A+][B+] 该值>1，有利于交换反应的进行。
第3节 离子交换基本原理
可推导出：
q0：树脂全交换容量，mmol/L； q：树脂中B+离子浓度, mmol/L； c0：溶液中两种交换离子的总浓度，mmol/L； c：溶液中B+离子浓度，mmol/L
(一) 组成
离子交 换树脂源自文库
母体(骨架) 活性基团
固定离子 可交换离子
苯乙烯(单体) +
二乙烯苯(交联剂)
共聚
母体
功 能 H2SO4 基 反 应
R —SO3 H
母体 固定离子 可交换离子
第3节 离子交换基本原理
交联剂 • ——DVB • 二乙烯苯为架桥物质：苯乙烯聚合成线形
结构，二乙烯苯使之变成体形 • 交联度DVB：树脂中二乙烯苯的含量 • 影响树脂孔隙率，进而影响性能
第3节 离子交换基本原理
3. 应用
(一) 给水处理 硬水软化、脱盐。 纯水、高纯水的制备。
(二) 废水处理 废水中金属离子：Zn2+、Cu2+、Cr6+ 、Cr3+
(三) 工业生产 产品的提纯
第3节 离子交换基本原理
一、离子交换树脂
固体球形颗粒，多孔网状 结构；不溶于水；具有离子交换 特性的有机高分子聚电解质。